В Республике Саха (Якутия) недавно создан консорциум производственных компаний и ученых для разработки и испытания новых технологий строительства автодорог в зоне вечной мерзлоты.

«Мы предлагаем провести анализ состояния дорог с изучением их изменений и деформации. Это позволит охарактеризовать те особенности, которые протекают с многолетнемерзлыми породами на нашей территории. Далее эти данные позволят нам адаптировать решения по проектированию дорог и проведению инженерно–геологических изысканий в Якутии. Для этого мы намерены построить международный научно–испытательный полигон», – сообщил директор Института мерзлотоведения имени
П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук Михаил Железняк.

«Шагреневая кожа» мерзлоты

Вечная мерзлота, которая существует на 65% территории России (значительная часть Сибири и Дальнего Востока с площадью 10,7 млн кв. км), в XXI веке оказалась под угрозой деградации из–за глобального изменения климата и хозяйственной деятельности человека. В результате интенсивного освоения месторождений полезных ископаемых на Севере произошли существенные изменения во всех компонентах природной среды. Наиболее очевидно они проявились в деградации вечномерзлых грунтов на урбанизированных территориях.
По прогнозу ученых, уже к середине нынешнего столетия от российской вечной мерзлоты останется только пятая часть ее современных площадей. Последствия уже ощутили в северных городах страны: проваливается грунт, образуются болота, появляются проблемы при строительстве автодорог. Причину этого ученые видят не только в глобальном потеплении, но и в действиях самого человека, неграмотном подходе к строительству и эксплуатации инженерных сооружений.
В 80–е годы прошлого столетия в Якутске при бурении на глубине 6 метров температура мерзлого грунта составляла минус 4–6 градусов, сейчас даже на глубине 8–10 метров – только минус 0,5–1,5 градуса. Местами мерзлота и вовсе выходит водой наверх, образуя все новые овраги и озера. Пока незаметная для местных жителей проблема подтаивания грунтов на территории города завтра может обернуться колоссальными затратами, считает инженер–строитель с тридцатилетним стажем Эдуард Романов.
В основном интенсивное протаивание развивается из–за воздействия человека, лесных пожаров. Антропогенный фактор является одним из сильнейших. В определенных условиях его влияние может быть более значительным, чем изменение климата.
Исчезновение мерзлоты приведет к серьезным проблемам с инфраструктурой арктических городов, которая к тому же и сильно изношена. В северных регионах считают, что, не дожидаясь этих изменений, необходимо приступить к учету возможных последствий сокращения площади мерзлоты уже на стадии планирования и проектирования строительства новых зданий и автодорог.
Нужно проектировать такие объекты, которые смогут функционировать при том диапазоне изменений, которые дают климатологи, отмечает Михаил Железняк. Еще на стадии проектирования необходимо закладывать различные сценарии развития ситуации, в том числе и потепления.
Так, в Ненецком автономном округе уже начали пересматривать СНиПы по строительству автомобильных дорог после проблем, которые появились при прокладке трассы Нарьян–Мар – Усинск. Эта дорога должна соединить округ с другими субъектами РФ. Однако при строительстве участка дороги в тундровой зоне специалисты столкнулись с тем, что просадка грунта превысила расчетные показатели из–за потепления. Это потребовало дополнительных работ по укреплению земляного полотна и увеличило их стоимость.
Мероприятия по адаптации не обязательно должны быть глобальными, предполагающими установку дорогостоящего охлаждающего оборудования, отмечают ученые. Иногда в зимний период бывает достаточно убрать снежный покров, чтобы охладить грунты. А в период потепления, наоборот, проблему можно решить, добавив теплоизолирующие слои в дорожной одежде.

Почему вспучилась дорога

Упрощенно говоря, есть два способа прокладки дорог в зоне мерзлоты: можно в начале строительства сохранить существующие мерзлые грунты, а можно изменить их, дать грунту оттаять. При выборе того или иного способа строительства проект должен включать обоснованное техническое решение и регламентирующие мероприятия, которые обеспечивали бы стабильные условия: чтобы грунты под инженерным объектом всегда находились в выбранном состоянии.
Как рассказал Михаил Железняк в одном из интервью нашей газете, изыскатели и проектировщики, к сожалению, не всегда обращают внимание на то, какая мерзлота распространена в той или иной местности (сплошная, прерывистая или островная), каковы ее состав, строение, тепловой режим. Зачастую строительство ведется с использованием одного метода. Поэтому образуются просадки и пучины – дорога «прыгает».
Деформации дорог, построенных в зоне вечной мерзлоты, связаны как с неучетом особенностей геокриологических условий, так и с нарушением технологии строительства. При возведении дорожного полотна изменяются условия теплообмена на поверхности. И здесь важно помнить, что изменение теплового состояния грунтов приводит к изменению физико–механических свойств горных пород, а это в свою очередь связано с возможностью развития экзогенных процессов. Поэтому очень важно для проектировщиков дорог знать инженерно–геокриологические условия и прогноз их возможного развития, а строителям выполнять проектные решения.
Исследовать каждый метр грунта на маршруте прохождения будущей дороги, конечно, нет необходимости. Для выявления особенностей инженерно–геологических условий применяется метод ключевых участков. Исследовать грунты помогает разумное сочетание бурения, лабораторных испытаний и комплекса геофизических методов. Использование последних не означает применение только традиционной электроразведки, как это часто делают изыскатели. Необходимо сочетание комплекса методов в зависимости от инженерно–геологических условий территории, состава и состояния грунтов. Для оценки теплового состояния грунтов, особенно в области криолитозоны, необходимо проведение геотермических измерений в скважинах с выстоявшимся температурным режимом. Вот здесь очень часто у изыскателей не хватает терпения и профессионального навыка, а ведь в криолитозоне именно тепловое состояние определяет свойства грунтов и, соответственно, процессы, развивающиеся на участке.

Мерзлоте закон не писан

С учетом того, что в ближайшее время планируется масштабное промышленное освоение и развитие Арктической зоны РФ, разработка мер адаптации хозяйственной и транспортной инфраструктуры к изменяющейся природной среде в регионах с вечной мерзлотой должна стать приоритетной государственной задачей. Определить правовые основы госполитики в области рационального использования и охраны вечной мерзлоты, предотвратить ее дальнейшую деградацию должны законы, которые будут регулировать деятельность компаний и застройщиков в условиях хрупкого экологического баланса Севера, считают эксперты. Между тем в России до сих пор отсутствуют целевые законодательные акты по мониторингу, градостроительному, дорожному, промышленному использованию и восстановлению многолетнемерзлых пород.
Необходимость законодательного регулирования этой сферы на федеральном и региональном уровнях поддерживает депутат Госдумы РФ Виктор Зубарев, представляющий Красноярский край. По его мнению, законодательство о вечной мерзлоте позволит защитить этот природный феномен в условиях реализации новых энергетических и транспортных проектов в Арктике, задействовать больше новых экологичных технологий. Конечно, необходимы нормативные акты, с помощью которых можно осуществлять регулирование и мониторинг всех факторов, связанных с сохранением вечной мерзлоты. Причем не только на уровне регионов, но и на федеральном.
В мае 2018 года был принят региональный закон «Об охране вечной мерзлоты в Республике Саха (Якутия)». Это первый опыт введения на законодательном уровне понятия «вечная мерзлота». Теперь, по мнению председателя комитета по земельным отношениям, природным ресурсам и экологии Госсобрания Якутии Владимира Прокопьева, необходимо создать схему правового регулирования климатических изменений в Арктике.
Отдельные нормы регионального закона уже действуют. Когда будут приняты предусмотренные им подзаконные акты, механизм регулирования заработает в полную силу. Но уже сейчас очевидно, что с такой глобальной проблемой республике не справиться самостоятельно, нужна поддержка федерального центра. Правовое регулирование позволит комплексно решать проблемы, связанные с фактором мерзлоты, обеспечить научное сопровождение проектов освоения Арктики, в том числе по строительству автомобильных дорог.

Новые методы и технологии

Пока депутаты разных уровней работают над нормативно–правовыми актами, призванными приостановить дальнейшую деградацию мерзлых грунтов, специалисты в регионах создают новые методы и технологии для сохранения мерзлоты. Это необходимо для устойчивости инженерных объектов, которые строятся в условиях экстремального климата. Например, в городе Дудинка (Красноярский край) власти планируют создать центр по мониторингу устойчивости и сохранности зданий на базе Норильского государственного индустриального института. В рамках проекта дома в Норильске оснастят сейсмодатчиками, с помощью которых в режиме реального времени будет контролироваться состояние фундаментов зданий.
Что касается дорожного строительства, то определенный опыт прокладки транспортных коммуникаций в условиях Севера был накоплен и в советское время. Фундаментальные исследовательские работы своих предшественников ученые используют и сейчас. Так, одна из проблем, с которой в свое время столкнулись строители Амуро–Якутской магистрали, – наледи. В 30–е годы прошлого века ими занимался известный специалист в этой области
В.Г. Петров. Еще тогда он выявил особенности и объяснил механизм образования различных типов наледей, разработал некоторые способы борьбы с ними. Сейчас наука продвинулась вперед, и уже существуют методы диагностики и моделирования, с помощью которых можно довольно точно спрогнозировать динамику и параметры наледеобразования. Это дает возможность разрабатывать хорошие проектные решения, прогнозировать возможные превентивные меры по борьбе с наледями.
В арсенале науки появились новые методы исследований – геофизические, теплофизические, компьютерное моделирование и т. д., внедряются современные автоматизированные системы наблюдений. Важно, чтобы новые разработки отечественных ученых были вовремя поддержаны. А то нередко случается так, что технологии, разработанные в России, в первую очередь находят применение не у нас, а за рубежом.

Для чего объединили усилия

Но вернемся к созданию в Якутии консорциума для испытания и разработки новых технологий строительства дорог в зоне вечной мерзлоты. В него, помимо ученых Института мерзлотоведения, вошли представители Института нефти и газа СО РАН, Института космофизических исследований и аэрономии ФИЦ ЯНЦ СО РАН и Северо–Восточного федерального университета. Они изучат состояние автодорог на Севере и причины деформации дорожного полотна. Эксперты надеются, что их работа позволит создать технологии строительства трасс в условиях вечной мерзлоты и найти решения, которые продлят срок службы дорог до 20–40 лет.
В Якутии лишь 16% населения имеют возможность перемещаться по дорогам с круглогодичным сообщением, а из всей протяженности автодорог региона (38 тыс. км) лишь треть имеет твердое покрытие. Остальные – это грунтовые дороги и автозимники. Большая часть населения вынуждена использовать воздушный транспорт или дожидаться зимы, чтобы ездить по открытым ледовым переправам. Дороги на севере страны чаще всего строятся по тем же регламентам, что и в центральной ее части, из–за чего приходят в негодность уже через несколько лет.
По словам Михаила Железняка, Якутия, где годовые максимумы температур колеблются от плюс 45 до минус 50, расположена на льдистых грунтах, которые под воздействием различных факторов изменяют инженерно–геологические условия участка. В итоге появляются различные виды вод, в том числе надмерзлотные, которые оказывают очень сильное влияние на полотно дороги и ее деформацию.
Испытания будут проводиться на двух участках региональных трасс общей протяженностью около 120 км. Как сообщили в минтрансе республики, участки были выбраны с учетом того, что там наблюдается высокий уровень пучинообразования и деформации земляного полотна.
Так, в 2021 году планируется заасфальтировать 100–километровый участок одной из самых сложных дорог Якутии – Р–502 «Амга» – между селами Майя и Амга. Здесь близко залегают подземные льды и интенсивно происходят термокарстовые процессы. На дорожное покрытие воздействуют техногенные и климатические факторы, вследствие чего начинается деградация мерзлых пород или, наоборот, рост мерзлых толщ и пучение. Поэтому после укладки асфальта там могут очень скоро образоваться трещины.
Чтобы научиться избегать таких моментов, и был выбран для испытаний этот сложный участок. По словам Михаила Железняка, перед учеными стоят две задачи: следить за состоянием многолетнемерзлых пород и устойчивостью асфальтобетонного покрытия. Полученные данные помогут пересмотреть нормативные документы по строительству автодорог в Якутии и прогнозировать дальнейшие изменения в мерзлых грунтах, на основании которых можно будет приостанавливать зарождающиеся процессы деформации.

Сергей ОЗУН,
обозреватель «ТР»